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NB-IoT网络时延对实时性业务影响的探讨分析 一、问题描述NB-IOT具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，主要适用于无需移动性、小数据量、对时延不敏感的业务，比如智能抄表、环境状态监测等。 2018年4月份，杭州市拱墅区某物联网终端研发企业提出，该公司正在研发一款通过NB-IoT网络远程控制的智能设备，该设备用于停车位地锁，需在用户的汽车驶入、驶出停车位时实时响应。由于该业务对时延敏感，要求“立即响应”，不符合一般NB-IoT适用业务特征（NB终端一般对时延不敏感）。 杭州电信无线片区前往该公司研发办公室进行NB-IoT覆盖测试分析，并通过分步骤优化提升无线网络环境，探讨不同覆盖质量下NB业务时延大小变化，分析什么覆盖条件下才能实现用户对NB网络提出的“实时”业务需求，最终评估该公司研发的终端能否适用于NB-IOT网络。 用户正在研发的智能地锁（示意图）要求通过NB网络并实现实时性控制 二、问题分析2.1NB-IoT网络特性及网络时延关系我们通过NB-IoT网络特性，对物联网产品的网络时延以及实时性需求进行分析。 NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。 NB-IoT具备四大特点： 一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力； 二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构； 三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年； 四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。 以上NB-IoT网络介绍，可提取关键词： ① 广覆盖； ② 用户支持量大； ③ 低功耗； ④ 低成本。 下面，从以上4点进行NB业务时延分析。 2.1.1 广覆盖的实现NB-IoT网络通过窄带、重传、低频，三大特性实现网络广覆盖。 窄带： NB-IoT上行载波带宽为3.75/15KHz，目前杭州电信使用的是15KHz带宽的NB子载波，共12个子载波占用200KHz（含保护带宽占20Khz）。相比现有2G/3G/4G上行200KHz的PRB，PSD增益约为11dB：log((200mW/15KHz)/(200mW/180KHz))=10.7dB。 也就是说以单位带宽携带能力计算，NB-IoT单位带宽所携带的能量比2G/3G/4G高出约11dB，因此同等情况下可覆盖更远距离。 重传： 相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍，速率就会减半，同时带来3dB的增益，通俗点讲就是说一遍听不清，就多说几遍，提高听清的概率。标准中定义上行重传次数最大可达128次，但考虑边缘场景下的速率以及小区容量，上行重传次数最大一般限为16次，对应9dB的增益（实际比理论低了约3dB）。 低频： 中国电信的NB-IoT部署在800MHz B5频段内。相比高频，低频具有路径损耗更低、绕射能力更强等优点，更加适合远距离覆盖。 以上NB网络三大特征：窄带、重传、低频，带来了11dB(PSD)+9dB(重传)+低频低损耗＞20dB，共同保证了NB-IoT技术的更强覆盖，实现广覆盖。 2.1.2 广覆盖的对业务时延的间接影响根据统一部署，目前杭州电信主城区所有LTE800M网络都同步开通了NB-IoT业务，NB-IoT基站保有量已明显提升。 在与LTE800基站数量一致的情况下，正由于NB-IoT网络能带来20dB以上电平值提升，实现广覆盖的同时，在主城区也带来了覆盖范围控制难度加大、易出现重叠覆盖问题的负面影响。 重叠覆盖直接影响SINR，而NB-IoT下行调度编码，则与SINR直接关联，主要影响的是下行调度时延。 下行调度时延主要包含以下组成： 按协议规定，下行NPDCCH携带的DCI N1消息时长是1ms。在NB-IOT中，PDCCH上的DCI数据如图所示： 其中，下行DCI N1数据和接收下行数据块的NPDSCH之间的时延有如下关系： DCI N1的结束子帧为n，则NPDSCH开始子帧为n+5ms+k0。k0为有效子帧数，在实验室单用户测试的情况下，一般k0取值为0，即NPDCCH和NPDSCH之间间隔4ms。 NPDSCH上调度的最小单位是子帧（1ms）,下行TB数据由多个子帧传输，同时TB数据支持重发，因此NPDSCH数据时长由“TB数据长度*重复次数”决定。子帧个数由Resource assignment字段决定，重复次数由Repetition number决定。在发送TBSize长度一定的情况下，编码方式MCS越高，子帧个数越短，数据长度越短，同时选择重复次数为1，则NPDSCH数据时长最短，可以缩短调度的时延。 以Ping 32Bytes为例，空口调度的字节约77Bytes，如果编码方式控制在MCS12，重复次数为1，则每次发送NPDSCH数据的长度为3ms。如果Ping 200字节为例，空口调度约235字节，按MCS12，重复1调度，需发送3个TB块，时长9ms。 而下行MCS编码是系统根据下行SINR决定的，和无线质量有关，故SINR值与下行编码直接相关，并影响影响数据块发送时延。 所以NB-IoT网络广覆盖的同时，在基站密集区域也可能因覆盖控制难度加大问题，间接影响覆盖质量，并因覆盖恶化导致下行调度时延加大，如下图所示。 NB-IoT广覆盖特性对覆盖质量及时延的间接影响 2.1.3 用户支持量大对时延的影响NB-IoT比2G、3G、4G有50-100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。200KHz频率下面，根据仿真测试数据，单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。 实际上，NB-IoT单小区仅有180KHz带宽，仅相当于LTE单个PRB的资源，NB-IoT射频带宽为200KHz，下行速率：大于160kbps，小于250kbps，上行速率：大于160kbps，小于250kbps，NB-IoT是一个名副其实的低速网络。以5万终端在线、下行250Kbps计算，如同时产生业务传输，平均下行速率仅5bps，传输1K数据需200秒以上，这在现实中是不切实际的。之所以支持大量用户同时在线，正是建立在NB业务低功耗、短暂唤醒、对时延性不明感、且可大量重传（最多可重传200次）的基础上。 由于NB-IoT网络是一个低速网络，以重传、单用户唤醒周期长来满足支持大量用户同时在线，该特性导致NB-IoT是一个无法保证实时性的网络，只适用于时延不敏感的终端。 目前3GPPIoT设想允许时延约为10s，但实际可以支持更低时延，大概6s左右，如果时延要求高于此数值类型的通信网络也不适用。所以目前普遍认为：NB-IOT适用于速率在250Kbps以下，时延容忍度大于10秒的场景。简而言之，NB-IoT支持大容量的同时无法保障实时性。 2.1.4 低功耗与时延的关系低功耗是NB-IoT网络特性之一，“NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年”是以终端平均每天传送200字节数据、容忍较大时延评估，即本身即是针对时延不敏感用户而言。主要有以下业务参照： ①自主异常报告业务类型：如烟雾报警探测器、设备工作异常等，上行极小数据量(十字节量级)，周期多以年、月为单位。 ②自主周期报告业务类型：如公共事业的远程抄表、环境监测等，上行较小数据量(百字节量级)，周期多以天、小时为单位。 ③远程控制指令业务类型：如设备远程开启/关闭、设备触发发送上行报告，下行极小数据量(十字节量级)，周期多以天、小时为单位。 ④软件远程更新业务类型：如软件补丁/更新，上行下行较大数据量需求(千字节量级)，周期多以天、小时为单位。 简而言之，NB-IoT低功耗不适用于实时业务。 综上分析，NB-IoT广覆盖、大容量、低功耗等特性，均是以考虑用户容忍时延相对较大来评估，不适用于实时性业务。 2.2用户环境覆盖优化及时延评估2.2.1 网络覆盖质量与时延正相关此次依照用户支撑需求，对该公司进行不同NB-IoT网络质量下时延测试分析，以ping时延为参考，测试结果统计如下： 上述测试结果SINR递进，主要是通过基站重叠覆盖度的减少而实现。 由于用户在主城区，基站密集，初步测试RSRP在-85dbm以上NB-IoT小区数据达到4个以上，同时对这些小区临时降低功率、临时锁闭、临时天馈调整（远程电调配合）等操作下，使RSRP大于-85dbm以上的小区数目逐步下降（上表所示），测试办公室SINR均值由0dB以下逐步提升到10以上，对应NPRACH、NPUSCH、NPDSCH重复传输次数则逐步下降，ping时延递减。 即证实，网络覆盖质量与业务时延确实存在正相关的关系（此处仅考虑ping时延，不考虑用户终端平台流程及其他时延）。 2.2.2 一般覆盖条件不足以明显影响终端响应时延从以上测试评估情况来看，当测试区域SINR值平均在0左右时，NB-IoT网络覆盖等级集中在Level 1（占比68.45%），此时ping时延为1.51s，当SINR提升至10以上，Level 0实现100%时，ping时延为0.74s，ping时延缩小至约一半，但ping时延缩短时间不足1秒，即网络覆盖影响时间在1秒以内。 以上测试情况导入实际中时，假设网络无时延，用户下发指令经过NB平台到停车场智能地锁之间响应时延为2秒，此时如果不同位置SINR在0~10之间时，那么总时延为2.74~3.51秒，即在一般网络覆盖质量下（SINR=0以上），网络覆盖质量原因对NB物联网终端实际响应的时延的影响很小。 实际上，在SINR值变化提升情况下，现场用户对研发中的设备进行测试时，从遥控器下发指令（通过NB网络），到地面智能终端响应，时延始终在1秒~5秒之间，甚至有无响应情况发生，表明虽然无线网络覆盖质量影响业务时延，但在实际业务中该影响并不是用户实时性需求的主要因素，而是更应该考虑业务平台及设备本身响应的时延大小。 三、实践总结此次通过理论分析和实践判断，NB-IoT网络不建议用于实时性要求很高的业务，而在一般网络覆盖情况下（SINR=0及以上时，大部分区域都可以达到），因网络覆盖造成的NB-IoT业务时延在实际生活生产中影响不大，设备研发厂家对物联网终端响应时延的研究，更多应该注重在自身平台业务流程时延缩短、终端接收到指令后响应时延的缩短上面来。
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发表于 2018-6-20 18:09:04
